一、直观感受

根据上面的图片，不难看出：

• RGB的每个分量，是对当前颜色的一个亮度值
• Y分量对呈现出清晰的图像有着很大的贡献
• Cb、Cr分量的内容不太容易识别清楚
• YUV将亮度信息（Y）与色度信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的

二、RGB

RGB是构成多种颜色的三基色（红绿蓝），也称为加成色。

三个分量共同组成一个像素，且每一个分量占8bit，RGB常常用于图像的存储，并且十分简单。

但是在视频领域中，RGB就不那么常见了。我们知道，视频其实是由一张张连续的图片序列组成的，我们假设有一个1080p（1920 * 1080）分辨率、帧率为30帧的视频，如果使用RGB进行存储的话，仅仅一分钟的视频就能达到 （ 1920 * 1080 * 8 * 30 * 60 ）bit （约等于27G）。

三、YUV

YUV是编译true-color颜色空间的种类，Y表示明亮度，U和V则是色度、浓度。 YCbCr的Y与YUV中的Y含义一致，Cb和Cr与UV同样都指色彩，Cb指蓝色色度，Cr指红色色度。

YUV 的最大特点是将亮度信息和色彩信息分离，没有了色彩信息依旧可以显示一张完整的黑白图片。

YUV, YCbCr所指涉的范围，常有混淆或重叠的情况。从历史的演变来说，其中YUV通常用来编码电视的模拟信号，而YCbCr则是用来描述数字的影像信号，适合影片与图片压缩以及传输，例如MPEG、JPEG。因此一般俗称的YUV大多是指YCbCr。

• Y：表示亮度，占8bit（1字节）
• Cb（U）：蓝色色度分量，占8bit（1字节）
• Cr（V）：红色色度分量，占8bit（1字节）

3.1、YUV 采样格式

YUV 图像的主流采样方式有如下三种：

• 4:4:4表示色度频道没有下采样，即一个Y分量对应着-个U分量和一个V分量。
• 4:2:2表示2:1的水平下采样，没有垂直下采样，即每两个Y分量共用- - 个U分量和一个V分量。
• 4:2:0表示2:1的水平下采样，2:1 的垂直下采样，即每四个Y分量共用一个U分量和一个V分量。

下图中黑点表示采样像素点Y分量，空心圆表示采样像素点的UV分量

3.1.1、YUV 4:4:4 采样

YUV 4:4:4 采样，意味着 Y、U、V 三个分量的采样比例相同，因此在生成的图像里，每个像素的三个分量信息完整，都是 8 bit，也就是一个字节。

举个例子 ：

假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

那么采样的码流为：Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 

最后映射出的像素点依旧为 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3] 

可以看到这种采样方式的图像和 RGB 颜色模型的图像大小是一样，并没有达到节省带宽的目的，当将 RGB 图像转换为 YUV 图像时，也是先转换为 YUV 4:4:4 采样的图像。

3.1.2、YUV 4:2:2 采样

YUV 4:2:2 采样，意味着 UV 分量是 Y 分量采样的一半，Y 分量和 UV 分量按照 2 : 1 的比例采样。如果水平方向有 10 个像素点，那么采样了 10 个 Y 分量，而只采样了 5 个 UV 分量。

 举个例子 ：
  
 假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

 那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 

 其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量就会间隔一个采集一个。

 最后映射出的像素点为 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]

采样的码流映射为像素点，还是要满足每个像素点有 Y、U、V 三个分量。但是可以看到，第一和第二像素点公用了 U0、V1 分量，第三和第四个像素点公用了 U2、V3 分量，这样就节省了图像空间。

一张 1280 * 720 大小的图片，在 YUV 4:2:2 采样时的大小为：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.5 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.76 MB 。

可以看到 YUV 4:2:2 采样的图像比 RGB 模型图像节省了三分之一的存储空间，在传输时占用的带宽也会随之减少。

3.1.3、YUV 4:2:0 采样

YUV 4:2:0 采样，并不是指只采样 U 分量而不采样 V 分量。而是指，在每一行扫描时，只扫描一种色度分量（U 或者 V），和 Y 分量按照 2 : 1 的方式采样。比如，第一行扫描时，YU 按照 2 : 1 的方式采样，那么第二行扫描时，YV 分量按照 2:1 的方式采样。对于每个色度分量来说，它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 分量相比都是 2:1 。

假设第一行扫描了 U 分量，第二行扫描了 V 分量，那么需要扫描两行才能够组成完整的 UV 分量。

举个例子 ：
 
假设图像像素为：
 
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]
 
那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
 
其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量就会间隔一行按照 2 : 1 进行采样。
 
最后映射出的像素点为：

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V5]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

从映射出的像素点中可以看到，四个 Y 分量是共用了一套 UV 分量，而且是按照 2*2 的小方格的形式分布的，相比 YUV 4:2:2 采样中两个 Y 分量共用一套 UV 分量，这样更能够节省空间。

一张 1280 * 720 大小的图片，在 YUV 4:2:0 采样时的大小为：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.25 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB 。

可以看到 YUV 4:2:0 采样的图像比 RGB 模型图像节省了一半的存储空间，因此它也是比较主流的采样方式。

3.2、YUV存储格式

• Planar（平面）
  • Y、U、V分量分开单独存储（先连续存储所有像素点的 Y 分量，然后存储 U 分量，最后是 V 分量。）
  • 名称通常以字母p结尾
• Semi-Planar（半平面）
  • Y分量单独存储，U、V分量交错存储
  • 名称通常以字母sp结尾
• Packed（紧凑）
  • 或者叫Interleaved （交错）
  • Y、U、V分量交错存储

3.3、YUV 格式汇总

根据采样方式和存储格式的不同，就有了多种 YUV 格式。

3.3.1、基于 YUV444 采样的存储格式

下面是4x4 像素的 YUV444 格式采样数据：

行列	1	2	3	4
1	Y0 U0 V0	Y1 U1 V1	Y2 U2 V2	Y3 U3 V3
2	Y4 U4 V4	Y5 U5 V5	Y6 U6 V6	Y7 U7 V7
3	Y8 U8 V8	Y9 U9 V9	Y10 U10 V10	Y11 U11 V11
4	Y12 U12 V12	Y13 U13 V13	Y14 U14 V14	Y15 U15 V15

I444：先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 U 分量，再存储所有的 V 分量

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  U1  U2  U3  U4  U5  U6  U7
U8  U9  U10 U11 U12 U13 U14 U15
V0  V1  V2  V3  V4  V5  V6  V7
V8  V9  V10 V11 V12 V13 V14 V15

YV24：先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 V 分量，再存储所有的 U 分量

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V0  V1  V2  V3  V4  V5  V6  V7
V8  V9  V10 V11 V12 V13 V14 V15
U0  U1  U2  U3  U4  U5  U6  U7
U8  U9  U10 U11 U12 U13 U14 U15

：先存储所有的 Y 分量，再U和V交错存放

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  V0  U1  V1  U2  V2  U3  V3
U4  V4  U5  V5  U6  V6  U7  V7
U8  V8  U9  V9  U10  V10  U11  V11
U12  V12  U13  V13  U14  V14  U15  V15

NV42：先存储所有的 Y 分量，再V和U交错存放

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V0  U0  V1  U1  V2  U2  V3  U3
V4  U4  V5  U5  V6  U6  V7  U7
V8  U8  V9  U9  V10  U10  V11  U11
V12  U12  V13  U13  V14  U14  V15  U15

3.3.2、基于 YUV422 采样的存储格式

下面是4x4 像素的 YUV422格式 采样数据：

行列	1	2	3	4
1	Y0 U0 -	Y1 - V1	Y2 U2 -	Y3 - V3
2	Y4 U4 -	Y5 - V5	Y6 U6 -	Y7 - V7
3	Y8 U8 -	Y9 - V9	Y10 U10 -	Y11 - V11
4	Y12 U12 -	Y13 - V13	Y14 U14 -	Y15 - V15

I422：先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 U 分量，再存储所有的 V 分量。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  U2  U4  U6  U8  U10 U12 U14
V1  V3  V5  V7  V9  V11 V13 V15

YV16：先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 V 分量，再存储所有的 U 分量。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V1  V3  V5  V7  V9  V11 V13 V15
U0  U2  U4  U6  U8  U10 U12 U14

NV16：先存储所有的 Y 分量，再U和V交错存放。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  V1  U2  V3  U4  V5  U6  V7 
U8  V9  U10 V11 U12 V13 U14 V15

NV61：先存储所有的 Y 分量，再V和U交错存放。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V1  U0  V3  U2  V5  U4  V7  U6 
V9  U8  V11 U10 V13 U12 V15 U14

UYVY：（每个方括号里是2个像素）

[U0  Y0  V1  Y1 ] [U2  Y2  V3  Y3 ]
[U4  Y4  V5  Y5 ] [U6  Y6  V7  Y7 ]
[U8  Y8  V9  Y9 ] [U10 Y10 V11 Y11]
[U12 Y12 V13 Y13] [U14 Y14 V15 Y15]

YUYV：（每个方括号里是2个像素）

[Y0  U0  Y1  V1 ] [Y2  U2  Y3  V3 ]
[Y4  U4  Y5  V5 ] [Y6  U6  Y7  V7 ]
[Y8  U8  Y9  V9 ] [Y10 U10 Y11 V11]
[Y12 U12 Y13 V13] [Y14 U14 Y15 V15]

YVYU（每个方括号里是2个像素）

[Y0  V1  Y1  U0 ] [Y2  V3  Y3  U2 ]
[Y4  V5  Y5  U4 ] [Y6  V7  Y7  V6 ]
[Y8  V9  Y9  U8 ] [Y10 V11 Y11 U10]
[Y12 V13 Y13 U12] [Y14 V15 Y15 U14]

3.3.3、基于 YUV420 采样的存储格式

下面是4x4 像素的 YUV420格式 采样数据：

行列	1	2	3	4
1	Y0 U0 -	Y1 - -	Y2 U2 -	Y3 - -
2	Y4 - V4	Y5 - -	Y6 - V6	Y7 - -
3	Y8 U8 -	Y9 - -	Y10 U10 -	Y11 - -
4	Y12 - V12	Y13 - -	Y14 - V14	Y15 - -

I420 ：是先 Y 再 U 后 V

• 大多数视频解码器以I420格式输出原始图片

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  U2  U8  U10 V4  V6  V12 V14

YV12 是先 Y 再 V 后 U

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V4  V6  V12 V14 U0  U2  U8  U10

NV12 是 iOS 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 分量，再 UV 进行交替存储。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
U0  V4  U2  V6  U8  V12 U10 V14

NV21 是 Android 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 分量，在 VU 交替存储。

Y0  Y1  Y2  Y3  Y4  Y5  Y6  Y7  
Y8  Y9  Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15
V4  U0  V6  U2  V12 U8  V14 U10

四、转换关系

REF:

一文读懂 YUV 的采样与格式

https://www.cnblogs.com/zuojie/p/16438496.html

https://www.zhihu.com/question/24994945/answer/3255831372

YUV与RGB格式转换 | ibabyblue's Blog

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